光和光的传播特性
| ||
| 来自：大西洋仪器 日期：2010-11-2 阅读：1000 | ||
光的一个基本性质就是具有波粒二象性。一方面光是电磁波具有波动的性质，有一定的频率和波长；另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。波动性和粒子性是光的客观属性，二者总是同时存在的。但在一定条件下，可能某一方面的属性比较明显，而当条件改变后，另一方面的属性又变得明显。例如，光在传播过程中所表现的干涉、衍射等现象中其波动性较为明显，这是往往把光看作是由一列列的光波组成的；而当光和实物互相作用时（例如光的吸收、发射、光电效应等），其粒子性较为明显，这时往往又把光看作是由一个光子组成的光子流。
光波是一种电磁波，是交变电磁场在空间的传播。也就是说，光波既是电矢量E的振动和传播，同时又是磁矢量B的振动和传播。在均匀介质中，电矢量的振动方向与磁矢量的振动方向互相垂直，且E、B均垂直于光的传播方向，它们三者方向上的关系如下图所示。
实验证明，光对人眼的视觉、胶片的感光及在其它一般光学现象中起主要作用的是电矢量E。因此，习惯上把电矢量叫做光矢量。电矢量振动方向和传播方向垂直，因此光波是一种横波。
在光波场中，光波位相相同的空间各点所连成的面叫波面，也叫阵面或同相面。光波的波面是平面的，这种波叫平面波。例如，将一个点光源放置在一个凸透镜的焦点上，则通过透镜后的光波是平面波（如下图所示）。
平面波在均匀介质中传播的特点是其波面是彼此平行的平面，且在传播中如介质不吸收，则波的振幅保持不变。
具有单一频率的平面波叫单色平面波。理想单色平面波---------简谐波（余弦波或正弦波）是最简单、最重要的一种波，简谐波代表一个均匀平面波，它表示在垂直于传播方向的任一平面内所有该平面内的个的各点，振动的位相在任何时刻均相同是一个同相面。
实际上的单色波都是准单色波。
光的偏振是指光振动方向相对于光波传播方向具有不对称性。在与光传播方向垂直的二维空间里，光振动有各式各样的振动状态，称为光的偏振态。常见的偏振光有椭圆偏振光、圆偏振光、线偏振光、部分偏振光和自然光。
光和物质作用时，光的粒子性就表现得较为明显，这时往往把光当做一个粒子看待。实际上光是由大量光子组成的光子流，光的能量就是光子能量的总和，当光与物质（原子、分子）交换能量时，光子只能整个的被原子吸收或反射。光的频率越高，光子的能量就越大。红外光与可见光相比，其频率较低，故它的光子能量就较小，可见光、紫外光、X射线、γ射线的频率依次增高，相应的光子能量也逐渐增大。
普通光纤是一种透明的圆柱形细丝，它的中间是折射率较高的透明物质，称为光纤芯，外面一层为折射率较低的透明介质，称为包层。实用的光纤除了光纤芯和包层外，为了使光纤有足够的强度，在包层外一般涂有环氧树脂和硅胶保护层，并在外面加上套管。
光在光纤中传输，实际上是交变电场和交变磁场在光纤中传输，在传输中电磁场的不同分布形式称为模式。按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。光纤的工作波长一般常用的有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。光纤损耗一般是随波长加长而减小，但波长1.65μm以上的损耗趋向加大。
多模光纤(Multi Mode Fiber)的纤芯直径为50~62.5μm，包层外直径125μm，可传多种模式的光，但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。
单模光纤(Single Mode Fiber) 中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31μm处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。
当光从光纤的一端射入，从另一端射出时，光的强度会减弱。这意味着光信号通过光纤传播后，光能量衰减了一部分。这说明光纤中有某些物质或因某种原因，阻挡光信号通过，这就是光纤的传输损耗。
光纤损耗可分为固有损耗（散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的）和附加损耗（弯曲损耗和接续损耗）。固有损耗中的散射损耗和吸收损耗是由光纤材料本身的特性决定的，在不同的工作波长下引起的固有损耗也不同。附加损耗是在光纤的铺设过程中人为造成的。
只有降低光纤损耗，才能使光信号畅通无阻。
|
No comments:
Post a Comment